現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)品越來(lái)越豐富，數(shù)據(jù)管理需求也越來(lái)越高，人們需要將多種多樣處于生產(chǎn)、銷(xiāo)售、流通過(guò)程中的物品進(jìn)行標(biāo)識(shí)、管理和定位。采用傳統(tǒng)的條形碼進(jìn)行物品標(biāo)識(shí)將會(huì)帶來(lái)一系列的不便：無(wú)法進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識(shí)別，需要人工干預(yù)、許多物品無(wú)法標(biāo)識(shí)等等。相反，由于射頻識(shí)別fRFID1系統(tǒng)采用具有穿透性的電磁波進(jìn)行識(shí)別，所以可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的識(shí)別，無(wú)須人工干預(yù)，可以標(biāo)識(shí)多種多樣的物品。
射頻識(shí)別技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是由電子標(biāo)簽（Tag/TranspONder）、讀寫(xiě)器（Reader/Interrogator）及中間件（Middle-Ware）~部分組成的一種短距離無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。射頻識(shí)別中的標(biāo)簽是射頻識(shí)別標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線(xiàn)的結(jié)合體。標(biāo)簽根據(jù)其工作模式不同而分為主動(dòng)標(biāo)簽和被動(dòng)標(biāo)簽。主動(dòng)標(biāo)簽自身攜帶電池為其提供讀寫(xiě)器通信所需的能量：被動(dòng)標(biāo)簽則采用感應(yīng)耦合或反向散射工作模式，即通過(guò)標(biāo)簽天線(xiàn)從讀寫(xiě)器中發(fā)出的電磁場(chǎng)或者電磁波獲得能量激活芯片，并調(diào)節(jié)射頻識(shí)別標(biāo)簽芯片與標(biāo)簽天線(xiàn)的匹配程度，將儲(chǔ)存在標(biāo)簽芯片中的信息反饋給讀寫(xiě)器。因此。射頻識(shí)別標(biāo)簽天線(xiàn)的阻抗必須與標(biāo)簽芯片的輸入阻抗共軛匹配，以使得標(biāo)簽芯片能夠最大限度地獲得射頻識(shí)別讀寫(xiě)器所發(fā)出的電磁能量。此外，標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮電子標(biāo)簽所應(yīng)用的場(chǎng)合，如應(yīng)用在金屬物體表面的標(biāo)簽天線(xiàn)和應(yīng)用在普通物體表面的標(biāo)簽天線(xiàn)在天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和選材上存有很大的差別。適合于多種芯片、低成本、多用途的標(biāo)簽天線(xiàn)是射頻識(shí)別在我國(guó)得到廣泛普及的關(guān)鍵技術(shù)之一。
本文分析了一維和二維Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線(xiàn)，并對(duì)兩種分形標(biāo)簽天線(xiàn)分別比較了其長(zhǎng)度、諧振頻率、反射系數(shù)及方向圖隨分形階數(shù)的變化關(guān)系。 仿真結(jié)果表明，一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)在尺寸縮減的同時(shí)，具有較高的天線(xiàn)效率，適合于RFID標(biāo)簽應(yīng)用。
1 Hilbert分形天線(xiàn)的幾何描述
0至4 階的Hilbert分形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 Hil2bert天線(xiàn)是1 /3等邊分形天線(xiàn)， 0階Hilbert天線(xiàn)各邊長(zhǎng)均為h. n階Hilbert天線(xiàn)總長(zhǎng)度為
由圖1可見(jiàn)， Hilbert天線(xiàn)輪廓的總面積保持不變，為h2. 隨著Hilbert分形迭代階數(shù)的增加， Hilbert曲線(xiàn)的長(zhǎng)度呈指數(shù)上升，趨近于無(wú)窮大，逐漸填充整個(gè)輪廓，此，Hilbert分形天線(xiàn)具有空間填充特性。
圖1 0～4階Hilbert分形結(jié)構(gòu)
2 二維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)分析
根據(jù)圖1中的Hilbert分形結(jié)構(gòu)，文中提出了如圖2所示的二維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)結(jié)構(gòu)。 本文取Hil2bert標(biāo)簽天線(xiàn)外部等邊長(zhǎng)h = 54mm, 0階Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)諧振頻率為915MHz. 用矩量法對(duì)0~2階的二維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3, 4 所圖3 二維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)的方向圖仿真結(jié)果
圖2 二維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)結(jié)構(gòu)
圖3 二維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)的方向圖仿真結(jié)果
從圖3和表1可以看出，相對(duì)于相同縱向長(zhǎng)度的普通偶極子天線(xiàn)，隨著分形階數(shù)的增加， 0~2階二維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)的方向圖基本保持不變，但諧振頻率逐漸減小： 2階二維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)的諧振頻率約為410MHz,若要保持諧振頻率為915MHz,則2階二維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)的等邊長(zhǎng)度約為0. 46 h.
雖然Hilbert分形結(jié)構(gòu)有效地減小了天線(xiàn)的電長(zhǎng)度，然而隨著分形階數(shù)的增加，二維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)的增益和效率急劇下降， 2階二維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)的效率僅為8. 83%. 這表明二維Hilbert分形結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)簽天線(xiàn)的尺寸縮減是以降低天線(xiàn)增益和天線(xiàn)效率為代價(jià)的，不能滿(mǎn)足RFID標(biāo)簽天線(xiàn)設(shè)計(jì)的需要。
圖4 二維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)的S11曲線(xiàn)
表1 二維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)參數(shù)
3 一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)分析
為了提高Hilbert分形結(jié)構(gòu)的RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的效率，本文提出了另一種形式的Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。 諧振頻率為915MHz的半波振子天線(xiàn)長(zhǎng)度2L = 149mm. 取三等分彎折線(xiàn)，各彎折線(xiàn)段長(zhǎng)度均為h = 2417mm,在彎折線(xiàn)部分采用Hilbert分形變換，彎折線(xiàn)天線(xiàn)為0階Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)。
用矩量法對(duì)一維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6, 7所示，天線(xiàn)參數(shù)見(jiàn)表2.
圖5 一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)結(jié)構(gòu)
圖6 一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)的方向圖仿真結(jié)果
圖7 一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)的S11曲線(xiàn)
從圖6和表2可以看出，一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)的方向圖基本相同，諧振頻率隨階數(shù)的增加不斷下降，但下降幅度逐漸趨緩。 2階一維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)的諧振頻率下降到半波偶極子天線(xiàn)諧振頻率的49. 2%時(shí)，其天線(xiàn)效率為62. 91% ,是2階二維Hil2bert標(biāo)簽天線(xiàn)效率（8. 83% ）的7. 1倍。 這說(shuō)明了一維Hilbert結(jié)構(gòu)的分形天線(xiàn)在縮減天線(xiàn)尺寸的同時(shí)，能夠保持標(biāo)簽天線(xiàn)的性能不急劇下降。 經(jīng)過(guò)推算，在915MHz諧振頻率下， 2 階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)的兩臂長(zhǎng)度約為半波振子天線(xiàn)長(zhǎng)度的50% ,具有較好的尺寸縮減特性。
表2 一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)參數(shù)
4 試驗(yàn)測(cè)試
根據(jù)前面Hilbert天線(xiàn)的仿真結(jié)果，制作了如圖8所示的1階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)。
圖8 1階一維Hilbert分形標(biāo)簽天線(xiàn)
天線(xiàn)兩端的直線(xiàn)長(zhǎng)度為50mm, Hilbert分形高度為20mm,饋點(diǎn)間距1mm,測(cè)得915MHz頻率處天線(xiàn)的等效輸入阻抗為15 + j245. 采用的標(biāo)簽IC是Atmel公司的ATA5590,芯片IC端口阻抗為12 -j217,符合RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)EPC Class1 Gen2.
使用的閱讀器是AW ID公司的MPR23014閱讀器，支持EPC Class1 Gen2 標(biāo)準(zhǔn)。 在天線(xiàn)輻射功率4W、中心頻率915MHz、標(biāo)簽天線(xiàn)面與閱讀器天線(xiàn)面水平的試驗(yàn)條件下，閱讀距離為5. 6m. 根據(jù)報(bào)導(dǎo)，偶極子RFID 標(biāo)簽在RFID 閱讀器輸出4W射頻功率的條件下可以達(dá)到7. 2m的識(shí)別距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文制作的RFID 標(biāo)簽天線(xiàn)的性能基本達(dá)到應(yīng)用的要求。
5 結(jié)論
Hilbert分形結(jié)構(gòu)天線(xiàn)由于其具有空間填充特性，有利于RFID標(biāo)簽天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)。 隨著分形階數(shù)的不斷增加，與二維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)相比，一維Hilbert標(biāo)簽天線(xiàn)在具備尺寸縮減特性的同時(shí)，有效地保持了天線(xiàn)的效率不急劇下降。 運(yùn)用一維Hil2bert標(biāo)簽天線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)諧振在915MHz的小型化高效率的RFID標(biāo)簽天線(xiàn)。